Três cientistas ganharam conjuntamente o Prêmio Nobel de Física deste ano na terça-feira por seu trabalho em ciência da informação quântica que tem aplicações significativas, por exemplo, no campo da criptografia.

O francês Alain Aspect, o americano John F. Clauser e o austríaco Anton Zeilinger foram citados pela Real Academia Sueca de Ciências por descobrir a maneira como as partículas conhecidas como fótons podem ser ligadas, ou "emaranhadas", umas com as outras, mesmo quando separadas por grandes distâncias.

"A ciência da informação quântica é um campo vibrante e em rápido desenvolvimento", disse Eva Olsson, membro do comitê do Nobel. “Tem implicações amplas e potenciais em áreas como transferência segura de informações, computação quântica e tecnologia de detecção”.

"Sua origem pode ser atribuída à mecânica quântica", disse ela. "Suas previsões abriram as portas para outro mundo e também abalou os próprios fundamentos de como interpretamos as medições."

Falando por telefone em uma entrevista coletiva após o anúncio, Zeilinger disse que "ainda estava meio chocado" ao saber que recebeu o prêmio.

"Mas é um choque muito positivo", disse Zeilinger, 77, que mora na Universidade de Viena.

Clauser, Aspect e Zeilinger figuram na especulação do Nobel há mais de uma década. Em 2010 eles ganharam o Prêmio Wolf em Israel, visto como um possível precursor do Nobel.

Embora os físicos frequentemente abordem problemas que à primeira vista parecem estar muito distantes das preocupações cotidianas – partículas minúsculas e os vastos mistérios do espaço e do tempo – sua pesquisa fornece as bases para muitas aplicações práticas da ciência.

O comitê do Nobel disse que Clauser, 79 anos, desenvolveu teorias quânticas apresentadas pela primeira vez na década de 1960 em um experimento prático. Aspect, 75, foi capaz de fechar uma brecha nessas teorias, enquanto Zeilinger demonstrou um fenômeno chamado teletransporte quântico que efetivamente permite que informações sejam transmitidas a distâncias.

"Usando o emaranhamento você pode transferir todas as informações que são transportadas por um objeto para algum outro lugar onde o objeto é, por assim dizer, reconstituído", disse Zeilinger. Ele acrescentou que isso só funciona para partículas minúsculas.

"Não é como nos filmes de Star Trek (onde se está) transportando algo, certamente não a pessoa, a alguma distância", disse ele.

Quando começou sua pesquisa, Zeilinger disse que os experimentos eram "completamente filosóficos, sem qualquer uso ou aplicação possível".

Desde então, o trabalho dos laureados tem sido usado para desenvolver os campos de computadores quânticos, redes quânticas e comunicação criptografada quântica segura.

Uma semana de anúncios do Prêmio Nobel começou na segunda-feira com o cientista sueco Svante Paabo recebendo o prêmio em medicina na segunda-feira por desvendar segredos do DNA neandertal que forneceram informações importantes sobre nosso sistema imunológico.

Eles continuam com química na quarta-feira e literatura na quinta-feira. O Prêmio Nobel da Paz de 2022 será anunciado na sexta-feira e o prêmio de economia em 10 de outubro.

Os prêmios têm um prêmio em dinheiro de 10 milhões de coroas suecas (cerca de US$ 900.000) e serão entregues em 10 de dezembro. O dinheiro vem de um legado deixado pelo criador do prêmio, o inventor sueco Alfred Nobel, que morreu em 1895.

A Real Academia Sueca de Ciências decidiu conceder o Prêmio Nobel de Física 2022 a

Université Paris-Saclay e

École Polytechnique, Palaiseau, França

JF Clauser & Assoc., Walnut Creek, CA, EUA

Universidade de Viena, Áustria

Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger conduziram experimentos inovadores usando estados quânticos emaranhados, onde duas partículas se comportam como uma única unidade, mesmo quando separadas. Seus resultados abriram caminho para novas tecnologias baseadas em informações quânticas .

Os efeitos inefáveis ??da mecânica quântica estão começando a encontrar aplicações. Existe agora um grande campo de pesquisa que inclui computadores quânticos, redes quânticas e comunicação criptografada quântica segura.

Um fator chave neste desenvolvimento é como a mecânica quântica permite que duas ou mais partículas existam no que é chamado de estado emaranhado . O que acontece com uma das partículas em um par emaranhado determina o que acontece com a outra partícula, mesmo que estejam distantes.

Por muito tempo, a questão era se a correlação era porque as partículas em um par emaranhado continham variáveis ??ocultas, instruções que lhes diziam qual resultado deveriam dar em um experimento. Na década de 1960, John Stewart Bell desenvolveu a desigualdade matemática que leva seu nome. Isso afirma que, se houver variáveis ??ocultas, a correlação entre os resultados de um grande número de medições nunca excederá um determinado valor. No entanto, a mecânica quântica prevê que um certo tipo de experimento violará a desigualdade de Bell, resultando em uma correlação mais forte do que seria possível.

John Clauser desenvolveu as ideias de John Bell, levando a um experimento prático. Quando ele fez as medições, elas apoiaram a mecânica quântica violando claramente uma desigualdade de Bell. Isso significa que a mecânica quântica não pode ser substituída por uma teoria que usa variáveis ??ocultas.

Algumas brechas permaneceram após o experimento de John Clauser. Alain Aspect desenvolveu a configuração, usando-a de uma forma que fechou uma brecha importante. Ele foi capaz de mudar as configurações de medição depois que um par emaranhado deixou sua fonte, de modo que a configuração que existia quando eles foram emitidos não poderia afetar o resultado.

Usando ferramentas refinadas e uma longa série de experimentos, Anton Zeilinger começou a usar estados quânticos emaranhados. Entre outras coisas, seu grupo de pesquisa demonstrou um fenômeno chamado teletransporte quântico, que possibilita mover um estado quântico de uma partícula para outra à distância.

"Ficou cada vez mais claro que um novo tipo de tecnologia quântica está surgindo. Podemos ver que o trabalho dos laureados com estados emaranhados é de grande importância, mesmo além das questões fundamentais sobre a interpretação da mecânica quântica ", diz Anders Irbäck, presidente do Comitê Nobel de Física.

Usando experimentos inovadores, Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger demonstraram o potencial de investigar e controlar partículas que estão em estados emaranhados. O que acontece com uma partícula em um par emaranhado determina o que acontece com a outra, mesmo que estejam muito distantes para afetar uma à outra. O desenvolvimento de ferramentas experimentais dos laureados lançou as bases para uma nova era da tecnologia quântica.

Os fundamentos da mecânica quântica não são apenas uma questão teórica ou filosófica. Intensa pesquisa e desenvolvimento estão em andamento para utilizar as propriedades especiais de sistemas de partículas individuais para construir computadores quânticos, melhorar medições, construir redes quânticas e estabelecer comunicação criptografada quântica segura.

Muitas aplicações baseiam-se em como a mecânica quântica permite que duas ou mais partículas existam em um estado compartilhado, independentemente da distância entre elas. Isso é chamado de emaranhamento e tem sido um dos elementos mais debatidos da mecânica quântica desde que a teoria foi formulada. Albert Einstein falou sobre ação assustadora à distância e Erwin Schrödinger disse que era a característica mais importante da mecânica quântica.

Os laureados deste ano exploraram esses estados quânticos emaranhados e seus experimentos lançaram as bases da revolução atualmente em andamento na tecnologia quântica.

Quando duas partículas estão em estados quânticos emaranhados, alguém que mede uma propriedade de uma partícula pode determinar imediatamente o resultado de uma medição equivalente na outra partícula, sem precisar verificar.

O que torna a mecânica quântica tão especial é que seus equivalentes às bolas não têm estados determinados até que sejam medidos. É como se ambas as bolas fossem cinzas, até que alguém olhasse para uma delas. Então, ele pode pegar aleatoriamente todo o preto ao qual o par de bolas tem acesso ou pode se mostrar branco. A outra bola vira imediatamente da cor oposta.

Mas como é possível saber que as bolas não tinham uma cor definida no início? Mesmo que parecessem cinzas, talvez tivessem uma etiqueta escondida dentro, dizendo de que cor deveriam ficar quando alguém olhasse para eles.

Os pares emaranhados da mecânica quântica podem ser comparados a uma máquina que lança bolas de cores opostas em direções opostas. Quando Bob pega uma bola e vê que é preta, ele imediatamente sabe que Alice pegou uma branca. Em uma teoria que usa variáveis ??ocultas, as bolas sempre continham informações ocultas sobre qual cor mostrar. No entanto, a mecânica quântica diz que as bolas eram cinzas até que alguém as olhasse, quando uma aleatoriamente ficou branca e a outra preta. As desigualdades de Bell mostram que existem experimentos que podem diferenciar esses casos. Tais experimentos provaram que a descrição da mecânica quântica está correta.

Uma parte importante da pesquisa que está sendo recompensada com o Prêmio Nobel de Física deste ano é uma visão teórica chamada desigualdades de Bell. As desigualdades de Bell permitem diferenciar entre a indeterminação da mecânica quântica e uma descrição alternativa usando instruções secretas ou variáveis ??ocultas. Experimentos mostraram que a natureza se comporta como previsto pela mecânica quântica. As bolas são cinzas, sem informações secretas, e o acaso determina qual fica preta e qual fica branca em um experimento.

Estados quânticos emaranhados têm potencial para novas formas de armazenamento, transferência e processamento de informações.

Coisas interessantes acontecem se as partículas em um par emaranhado viajam em direções opostas e uma delas encontra uma terceira partícula de tal maneira que elas ficam emaranhadas. Eles então entram em um novo estado compartilhado. A terceira partícula perde sua identidade, mas suas propriedades originais agora foram transferidas para a partícula solo do par original. Essa maneira de transferir um estado quântico desconhecido de uma partícula para outra é chamada de teletransporte quântico. Esse tipo de experimento foi realizado pela primeira vez em 1997 por Anton Zeilinger e seus colegas.

Notavelmente, o teletransporte quântico é a única maneira de transferir informações quânticas de um sistema para outro sem perder nenhuma parte dele. É absolutamente impossível medir todas as propriedades de um sistema quântico e depois enviar a informação para um destinatário que queira reconstruir o sistema. Isso ocorre porque um sistema quântico pode conter várias versões de cada propriedade simultaneamente, onde cada versão tem uma certa probabilidade de aparecer durante uma medição. Assim que a medição é realizada, apenas uma versão permanece, ou seja, aquela que foi lida pelo instrumento de medição. Os outros desapareceram e é impossível saber alguma coisa sobre eles. No entanto, propriedades quânticas totalmente desconhecidas podem ser transferidas usando o teletransporte quântico e aparecem intactas em outra partícula,

Uma vez que isso foi demonstrado experimentalmente, o próximo passo foi usar dois pares de partículas emaranhadas. Se uma partícula de cada par for reunida de uma maneira particular, as partículas não perturbadas em cada par podem ficar emaranhadas, apesar de nunca terem estado em contato umas com as outras. Essa troca de emaranhamento foi demonstrada pela primeira vez em 1998 pelo grupo de pesquisa de Anton Zeilinger.

Pares de fótons emaranhados, partículas de luz, podem ser enviados em direções opostas através de fibras ópticas e funcionar como sinais em uma rede quântica. O emaranhamento entre dois pares torna possível estender as distâncias entre os nós em tal rede. Existe um limite para a distância que os fótons podem ser enviados através de uma fibra óptica antes de serem absorvidos ou perderem suas propriedades. Sinais de luz comuns podem ser amplificados ao longo do caminho, mas isso não funciona com pares emaranhados. Um amplificador tem que capturar e medir a luz, o que quebra o emaranhamento. No entanto, a troca de emaranhamento significa que é possível enviar o estado original ainda mais, transferindo-o por distâncias maiores do que seria possível.

Dois pares de partículas emaranhadas são emitidos de fontes diferentes. Uma partícula de cada par é reunida de uma maneira especial que os emaranha. As duas outras partículas (1 e 4 no diagrama) também são emaranhadas. Desta forma, duas partículas que nunca estiveram em contato podem ficar emaranhadas.

Este progresso baseia-se em muitos anos de desenvolvimento. Tudo começou com a visão incompreensível de que a mecânica quântica permite que um único sistema quântico seja dividido em partes separadas umas das outras, mas que ainda atuam como uma única unidade.

Isso vai contra todas as ideias usuais sobre causa e efeito e a natureza da realidade. Como algo pode ser influenciado por um evento que ocorre em outro lugar sem ser alcançado por alguma forma de sinal dele? Um sinal não pode viajar mais rápido que a luz - mas na mecânica quântica, não parece haver necessidade de um sinal para conectar as diferentes partes de um sistema estendido.

Albert Einstein considerou isso inviável e examinou esse fenômeno, junto com seus colegas Boris Podolsky e Nathan Rosen. Eles apresentaram seu raciocínio em 1935: a mecânica quântica não parece fornecer uma descrição completa da realidade. Isso veio a ser chamado de paradoxo EPR, após as iniciais dos pesquisadores.

A questão era se poderia haver uma descrição mais completa do mundo, onde a mecânica quântica é apenas uma parte. Isso poderia, por exemplo, funcionar através de partículas sempre carregando informações ocultas sobre o que elas mostrarão como resultado de um experimento. Todas as medições mostram então as propriedades que existem exatamente onde as medições são realizadas. Esse tipo de informação é frequentemente chamado de variáveis ??ocultas locais.

O físico norte-irlandês John Stewart Bell (1928-1990), que trabalhou no CERN, o laboratório europeu de física de partículas, examinou mais de perto o problema. Ele descobriu que existe um tipo de experimento que pode determinar se o mundo é puramente mecânico quântico, ou se poderia haver outra descrição com variáveis ??ocultas. Se seu experimento for repetido muitas vezes, todas as teorias com variáveis ??ocultas mostram uma correlação entre os resultados que deve ser menor ou no máximo igual a um valor específico. Isso é chamado de desigualdade de Bell.

No entanto, a mecânica quântica pode violar essa desigualdade. Ele prevê valores mais altos para a correlação entre os resultados do que é possível por meio de variáveis ??ocultas.

John Clauser se interessou pelos fundamentos da mecânica quântica como estudante na década de 1960. Ele não conseguiu se livrar da ideia de John Bell depois de ler sobre isso e, eventualmente, ele e três outros pesquisadores foram capazes de apresentar uma proposta para um tipo realista de experimento que pode ser usado para testar uma desigualdade de Bell.

O experimento envolve o envio de um par de partículas emaranhadas em direções opostas. Na prática, são usados ??fótons que possuem uma propriedade chamada polarização. Quando as partículas são emitidas, a direção da polarização é indeterminada, e tudo o que é certo é que as partículas têm polarização paralela. Isso pode ser investigado usando um filtro que permite uma polarização orientada em uma determinada direção (veja a figura Experimentando com desigualdades de Bell). Este é o efeito usado em muitos óculos de sol, que bloqueiam a luz que foi polarizada em um determinado plano, por exemplo, refletindo a água.

Se ambas as partículas no experimento forem enviadas para filtros que estão orientados no mesmo plano, como verticalmente, e uma passar, a outra também passará. Se eles estiverem em ângulos retos um com o outro, um será parado enquanto o outro passará. O truque é medir com os filtros colocados em direções diferentes em ângulos enviesados, pois assim os resultados podem variar: às vezes ambos passam, às vezes apenas um, às vezes nenhum. A frequência com que ambas as partículas passam pelo filtro depende do ângulo entre os filtros.

A mecânica quântica leva a uma correlação entre as medições. A probabilidade de uma partícula passar depende do ângulo do filtro que testou a polarização de seu parceiro no lado oposto da configuração experimental. Isso significa que os resultados de ambas as medições, em alguns ângulos, violam uma desigualdade de Bell e têm uma correlação mais forte do que teriam se os resultados fossem governados por variáveis ??ocultas e já estivessem predeterminados quando as partículas foram emitidas.

John Clauser imediatamente começou a trabalhar na condução deste experimento. Ele construiu um aparelho que emitia dois fótons emaranhados de cada vez, cada um em direção a um filtro que testava sua polarização. Em 1972, junto com o estudante de doutorado Stuart Freedman (1944-2012), ele conseguiu mostrar um resultado que era uma clara violação de uma desigualdade de Bell e concordava com as previsões da mecânica quântica.

Nos anos que se seguiram, John Clauser e outros físicos continuaram discutindo o experimento e suas limitações. Uma delas foi que o experimento foi geralmente ineficiente, tanto na produção quanto na captura de partículas. A medição também foi pré-definida, com os filtros em ângulos fxos. Havia, portanto, brechas, onde um observador poderia questionar os resultados: e se a configuração experimental de alguma forma selecionasse as partículas que por acaso tivessem uma forte correlação e não detectasse as outras? Nesse caso, as partículas ainda podem estar carregando informações ocultas.

Eliminar essa brecha específica foi difícil, porque os estados quânticos entrelaçados são muito frágeis e difíceis de gerenciar; é necessário lidar com fótons individuais. O estudante de doutorado francês Alain Aspect não se intimidou e construiu uma nova versão da configuração que ele refinou ao longo de várias iterações. Em seu experimento, ele conseguiu registrar os fótons que passaram pelo filtro e os que não passaram. Isso significou que mais fótons foram detectados e as medições foram melhores.

Na variante final de seus testes, ele também foi capaz de direcionar fótons para dois filtros diferentes que foram colocados em ângulos diferentes. A sutileza era um mecanismo que mudava a direção dos fótons emaranhados depois de terem sido criados e emitidos de sua fonte. Os filtros estavam a apenas seis metros de distância, então a troca precisava ocorrer em alguns bilionésimos de segundo. Se a informação sobre qual filtro o fóton chegaria influenciasse como ele foi emitido da fonte, ele não chegaria a esse filtro. Nem as informações sobre os filtros de um lado do experimento podem chegar ao outro lado e afetar o resultado da medição ali.

Desta forma, Alain Aspect fechou uma brecha importante e forneceu um resultado muito claro: a mecânica quântica está correta e não há variáveis ??ocultas.

A era da informação quântica Esses e experimentos semelhantes lançaram as bases para a intensa pesquisa atual em ciência da informação quântica.

Ser capaz de manipular e gerenciar estados quânticos e todas as suas camadas de propriedades nos dá acesso a ferramentas com potencial inesperado. Esta é a base para a computação quântica, a transferência e armazenamento de informações quânticas e algoritmos para criptografia quântica. Sistemas com mais de duas partículas, todas emaranhadas, estão agora em uso, que Anton Zeilinger e seus colegas foram os primeiros a explorar.

Anton Zeilinger mais tarde realizou mais testes de desigualdades de Bell. Ele criou pares de fótons emaranhados ao lançar um laser em um cristal especial e usou números aleatórios para alternar entre as configurações de medição. Um experimento usou sinais de galáxias distantes para controlar os filtros e garantir que os sinais não pudessem afetar uns aos outros.

Essas ferramentas cada vez mais refinadas aproximam cada vez mais as aplicações realistas. Estados quânticos emaranhados já foram demonstrados entre fótons que foram enviados através de dezenas de quilômetros de fibra óptica e entre um satélite e uma estação no solo. Em pouco tempo, pesquisadores de todo o mundo descobriram muitas novas maneiras de utilizar a propriedade mais poderosa da mecânica quântica.

A primeira revolução quântica nos deu transistores e lasers, mas agora estamos entrando em uma nova era graças às ferramentas contemporâneas para manipular sistemas de partículas emaranhadas.